2（工程材料Ⅱ）第2讲（第1章金属材料概述2）

2 2 工程材料 工程材料 第 第2 2讲 第讲 第1 1章金属材料概述章金属材料概述2 2 1第一章金属材料概述 续 第一章金属材料概述 续 主讲王军伟 机械工程学院xx年9月机械工程学院xx年9月2本章内容提要 一 钢的 合金化 二 碳钢 三 合金钢 四 铸钢与铸铁 五 有色金属及其合金3 金属材料分为两大类 黑色金属铁和铁为基的合金 钢 铸铁和铁 合金 有色金属包括黑色金属以外的所有金属及其合金 在铁碳合金中 碳质量分数小于2 11 的合金称为包括黑色金属以外 的所有金属及其合金 在铁碳合金中 碳质量分数小于2 11 的合金称为钢 碳钢冶炼简便 加工容易 价格便宜 一般情况下能满足实际工程 的使用要求 是应用最多的工程金属材料 碳钢冶炼简便 加工容易 价格便宜 一般情况下能满足实际工程 的使用要求 是应用最多的工程金属材料 二 碳钢4 一 碳钢的成分Fe C Mn Si S P Mn锰铁作为脱氧剂而残留的杂质 消除FeO夹杂1 Mn与S形成MnS 减 小热裂倾向 2 在 Fe中形成置换固溶体 使钢得到强化 3 增加珠体的含量 细化珠 光体 锰铁作为脱氧剂而残留的杂质 消除FeO夹杂1 Mn与S形成MnS 减小 热裂倾向 2 在 Fe中形成置换固溶体 使钢得到强化 3 增加珠体的含量 细化珠 光体 Si硅铁作为脱氧剂而加入的元素 比Mn更强 也溶于 Fe中 提高钢的强度 硬度和弹性 硅铁作为脱氧剂而加入的元素 比Mn更强 也溶于 Fe中 提高钢的强度 硬度和弹性 C决定钢的性能 5S由矿石和燃料带入钢中 易使钢热脆Fe FeS低熔点共晶 989 使钢在热加工过程中沿着晶粒边界开裂 表现极大脆性 称做Fe FeS低熔点共晶 989 使钢在热加工过程中沿着晶粒边界开裂 表现极大脆性 称做热脆 P矿石 易使钢冷脆磷在钢中溶解于铁素体中 使钢的强度 硬度升 高 但使钢室温下的塑性 韧性急剧下降 并使钢的脆性转化温度 升高 钢性变脆 这种现象低温时表现尤为突出 称为磷在钢中溶解于铁素体中 使 钢的强度 硬度升高 但使钢室温下的塑性 韧性急剧下降 并使 钢的脆性转化温度升高 钢性变脆 这种现象低温时表现尤为突出 称为冷脆 必须严格控制在牌号规定的范围之内 必须严格控制在牌号规定的范围之内 6 二 碳钢的分类 3 按质量分普通碳素钢w w S 0 055 w w P 0 045 优质碳素钢w w S 0 040 w w P 0 040 高级优质碳素钢w w S 0 030 w w P 0 035 1 按碳的质量分数分低碳钢w w C 0 25 钢中碳钢0 25 0 6 2 按用途分碳素结构钢制造各种工程构件 如桥船 建筑 和机 器零件等 低 中碳钢 制造各种工程构件 如桥船 建筑 和机 器零件等 低 中碳钢 碳素工具钢各种工具 刃具 量具 高 碳钢 4 按脱氧程度分沸腾钢 浇铸前仅用锰铁脱氧剂轻微脱氧 镇静 钢 完全脱氧 锰铁 硅铁和铝等 半沸腾钢 脱氧介于沸腾与 半沸腾钢之间 5 按冶炼方法分平炉钢 碳素钢和低合金高强钢 转炉钢 碳素 钢和低合金高强钢 电炉钢 合金钢 7 三 碳钢的牌号及用途 1 碳素结构钢 1 普通碳素结构钢 简称普碳钢 例Q235 A F屈服强度为235MPa的A级沸腾普通碳素结构钢 级沸腾普通碳素结构钢 牌号Q 数字 牌号Q 数字 质量等级符号 脱氧方法 Q Q 为屈服点 屈 字的汉语拼音字首 数字表示屈服点不低于该值 质量等级由低到高分为A B C D A级字的汉语拼音字首 数字表示屈服点不低于该值 质量等级由低到高分为A B C D A级硫 磷量最高 质量较差 硫 磷量最高 质量较差 脱氧方法用F Z b TZ分别表示沸腾钢 镇静钢 半镇静钢和特 殊镇静钢 其中 Z和TZ一般省略 脱氧方法用F Z b TZ分别表示沸腾钢 镇静钢 半镇静钢和特 殊镇静钢 其中 Z和TZ一般省略 注Q345 16Mn 是低合金钢8表1普通碳素结构钢牌号 成分 GB T700 1988 9 特点冶炼容易 价格低廉 在力学性能上要求能满足一般 工程结构及普通机器零件的性能要求 应用广 但S P含量较高 塑性 韧性相对较低 热处理及供货状态成型后一般 特点冶炼容易 价格低廉 在力 学性能上要求能满足一般工程结构及普通机器零件的性能要求 应 用广 但S P含量较高 塑性 韧性相对较低 热处理及供货状态成型后一般不进行热处理 大都在热轧退火或 正火状态下直接使用 通常以板材 带材和各种型材来使用 大都在热轧退火或正火状态下直接使用 通常以板材 带材和各种型材来使用 10 用途Q 195 Q 215 Q235A Q235B在桥梁 建筑等工程结构中通常轧制成钢筋 钢 板 钢管钢筋 钢板 钢管等型材 在机械制造方面用做等型材 在机械制造方面用做普通螺钉 螺帽 铆钉 农机零件普通螺钉 螺帽 铆钉 农机零件等 钢板 钢筋螺钉 铆钉11Q235C Q235D可用于重要的焊接件 Q 255 Q275强度较高 可支撑受力中等的普通机器零件 如强度较高 可支撑受力中等的普通机器零件 如链轮 拉杆 小轴 活塞销 等 示老师提示这类钢常在热轧状态下使用 不再进行热处理 对某些小零件 可以进行正火 调质 渗碳等处理 以提高其使用 性能 这类钢常在热轧状态下使用 不再进行热处理 对某些小零件 可以进行正火 调质 渗碳等处理 以提高其使用 性能 12 2 优质碳素结构钢 牌号用两位数字表示钢中平均含碳量的万分 之几 如 如08钢表示钢的平均含碳量为0 08 45钢表示钢的平均含碳量为0 45 牌号后面不标 Mn 的表示普通含Mn量 约0 35 0 8 标注 Mn 的表示较高含Mn量 约0 7 1 2 如65Mn 13表2优质碳素结构钢牌号 成分及用途 GB T699 1988 1415 热处理及用途08F钢 25钢属于低碳钢 特点是强度低 塑性 韧性高强度低 塑性 韧性高 焊接性和冷冲压性能好 制造各类冷冲压件 焊接件和 焊接性和冷冲压性能好 制造各类冷冲压件 焊接件和承载较小 受力不大的渗碳件 内部 韧性较大 表面高硬度 高耐磨性 如的渗碳件 内部韧性较大 表面高硬度 高耐磨性 如轴套 齿轮 轴等轴套 齿轮 轴等 30钢 55钢属于中碳钢 可在正火或调质态下使用 具有较高的强度 较好的塑性和韧性 主要用于制造态下使用 具有较高的强度 较好的塑性和韧性 主要用于制造载荷较小受力复杂的齿轮 轴 连杆 套筒等 如汽 车和拖拉机的曲轴 机车的低速齿轮和轴 等 如汽车和拖拉机的曲轴 机车的低速齿轮和轴 60钢 85钢属于高碳钢 可在淬火 中温回火状态下使用 具有较高的弹性极限和屈服强度 高的屈强比 状态下使用 具有较高的弹性极限和屈服强度 高的屈强比 s s b b 适宜用来制造各种弹簧 如汽车和拖拉机的板弹簧 螺旋弹簧 弹簧发条等 如汽车和拖拉机的板弹簧 螺旋弹簧 弹簧发条等 提示优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理 优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理 162 碳素工具钢碳素工具钢的碳质量分数在0 65 1 35 之间的过 共析钢 钢号用平均碳质量分数的千分数的数字表示 数字之前冠 以碳素工具钢的碳质量分数在0 65 1 35 之间的过共析钢 钢号 用平均碳质量分数的千分数的数字表示 数字之前冠以 T T 碳 如T9表示碳质量分数为0 9 即千分之九 的碳素工具钢 T9表示碳质量分数为0 9 即千分之九 的碳素工具钢 碳素工具钢均为优质钢 若含硫 磷更低 为高级优质钢 钢号后 标注硫 磷更低 为高级优质钢 钢号后标注 A A 如T12A表示碳质量分数为1 2 的高级优质碳素工具钢 T12A表示碳质量分数为1 2 的高级优质碳素工具钢 用途制造各种刃具 量具 模具等 17表3碳素工具钢的牌号和化学成分 GB T1298 1986 18常用碳素工具钢 T 7 T8硬度较高 韧性较高 可制造T 7 T8硬度较高 韧性较高 可制造冲头 凿子 锤子等木工工具 锉刀量规锉刀量规 T 9 T 10 T11硬度高 韧性适中 可制造T 9 T 10 T11硬度高 韧性适中 可制造钻头 刨刀 丝锥 手锯条 T1 0 等刃具及冷作模具等 碳素工具钢热处理淬火 低温回火 淬火 低温回火 T 12 T13硬度很高 韧性较低 可制作T 12 T13硬度很高 韧性较低 可制作锉刀 刮刀 铰刀等刃具及等 刃具及量规 样套等量具 19本节小结常用碳钢钢普通碳素结构钢Q 215 Q235钢优质碳素结构钢 20 45 60碳素工具钢T 8 T 10 T1220本章内容提要 一 钢的合金化 二 碳钢 三 合金钢 四 铸 钢与铸铁 五 有色金属及其合金21随着科学技术和工业的发展 对 材料提出了更高的要求 如更高的强度 抗高温 高压 低温 耐 腐蚀 磨损以及其它特殊物理 化学性能的要求 碳钢已不能完全满足要求 随着科学技术和工业的发展 对材料提出了更高的要求 如更高的 强度 抗高温 高压 低温 耐腐蚀 磨损以及其它特殊物理 化 学性能的要求 碳钢已不能完全满足要求 22 碳钢的不足 1 淬透性低一般情况下 碳钢水淬的最大淬透直径只有10mm 20mm 一般情况下 碳钢水淬的最大淬透直径只有10mm 20mm 2 强度和屈强比较低普通碳钢Q235钢的 s s为235MPa 低合金结构钢Q345 16Mn 的为235MPa 低合金结构钢Q3 45 16Mn 的 s s则为345MPa以上 40钢的则为345MPa以上 40钢的 s s b b仅为0 43 合金钢35CrNi3Mo的仅为0 43 合金钢35CrNi3Mo的 s s b b高达0 74 23 3 回火稳定性差碳钢进行调质处理时 为保证较高的强度 采用较 低的回火温度 韧性偏低 为保证较好的韧性 采用高的回火温度 但强度又偏低 碳钢的综合机械性能水平不高 碳钢进行调质处理时 为保证较高的强度 采用较低的回火温度 韧性偏低 为保证较好的韧性 采用高的回火温度 但强度又偏低 碳钢的综合机械性能水平不高 4 不能满足特殊性能的要求碳钢在抗氧化 耐蚀 耐热 耐低温 耐磨损以及特殊电磁性等方面较差 碳钢在抗氧化 耐蚀 耐热 耐低温 耐磨损以及特殊电磁性等方 面较差 示老师提示碳钢不能完全满足科学技术和工业展要求 为了提高钢的性能 在铁碳合金中加入合金元素 得到碳钢不能完 全满足科学技术和工业展要求 为了提高钢的性能 在铁碳合金中加入合金元素 得到合金钢 24 一 合金钢的分类251 按合金元素含量多少分类 低合金钢 合金元素总质量分数低于5 中合金钢 合金元素总质量分数为5 10 高合金钢 合金元素总质量分数高于10 2 按所含的主 要合金元素分类 铬钢 Cr Fe C 铬镍钢 Cr Ni Fe C 锰钢 Mn Fe C 硅锰钢 Si Mn Fe C 263 按小试样正火或铸态组织分类 珠光体钢 马氏体钢 铁素 体钢 奥氏体钢 莱氏体钢 珠光体钢 马氏体钢 铁素体钢 奥 氏体钢 莱氏体钢4 按用途分类 合金结构钢用来制造各种机器零 件及工程结构件 合金工具钢用于制造各种加工和测量工具 特殊性能钢有某种特殊的物理 化学性能 包括不锈钢 耐热钢 耐磨钢等 有某种特殊的物理 化学性能 包括不锈钢 耐热钢 耐磨钢等 27 二 合金钢的编号 成分 热处理工艺 组织 性能和应用 二 合金钢的编号 成分 热处理工艺 组织 性能和应用281 合 金结构钢 编号两位数字 化学元素符号 数字 两位数字表示钢中 平均碳含量的万分之几 合金元素后面的数字质量分数 合金元素后面的数字质量分数少于1 5 时不标少于1 5 时不标 质 量分数为1 5 2 49 2 5 3 49 时 相应地标以 相应地标以 2 3 例1合金结构钢40Cr平均碳质量分数为0 40 合金元素Cr的 质量分数在1 5 以下 平均碳质量分数为0 40 合金元素Cr的质量分数在1 5 以下 例2合金结构钢60Si2Mn 制作钢板弹簧 平均碳质量分数为0 60 合金元素Si的质量分数约2 含Mn量约1 平均碳质量分数为0 60 合金元素Si的质量分数约2 含Mn量约1 29 合金结构钢的分类用于制造重要工程结构和机器零件的合金钢 称为用于制造重要工程结构和机器零件的合金钢称为合金结构钢 主要有低合金高强度结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚珠 轴承钢低合金高强度结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚珠 轴承钢301 1低合金高强度结构钢 低合金高强钢 1 用途主要用 于制造桥梁 船舶 车辆 锅炉 高压容器 输油输气管道 大型 钢结构等 主要用于制造桥梁 船舶 车辆 锅炉 高压容器 输油输气管道 大型钢结构等 桥梁船舶车辆容器储气罐312 性能要求 1 高强度一般屈服强度在300MPa以上 2 一般屈服强度在300MPa以上 2 高韧性要求延伸率为15 20 室温冲击韧性大于600kJ m要求 延伸率为15 20 室温冲击韧性大于600kJ m22 800kJ m22 对于大型焊接构件 还要求有较高的断裂韧性 3 良好的 对于大型焊接构件 还要求有较高的断裂韧性 3 良好的焊接性能和冷成型性能 4 低的 4 低的冷脆转变温度 5 良好的 5 良好的耐蚀性 323 成分特点 1 低碳韧性 焊接性和冷成形性能要求高 碳质量分数不超过0 20 韧性 焊接性和冷成形性能要求高 碳质量分数不超过0 20 2 锰为主要的合金元素 固溶强化铁素体F 细化珠光体P 增加P的含量 提高钢的强度 3 为主要的合金元素 固溶强化铁素体F 细化珠光体P 增加P的含量 提高钢的强度 3 铌 钛或钒形成细碳化物或碳氮化物 获得细小的铁素体晶粒和 提高钢的强度和韧性 形成细碳化物或碳氮化物 获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度 和韧性 4 少量铜 0 4 和磷 0 1 左右 可提高抗腐蚀性能 加入少量 0 1 左右 可提高抗腐蚀性能 加入少量稀土元素 可以脱硫 去气 使钢材净化 改善韧性和工 艺性能 元素 可以脱硫 去气 使钢材净化 改善韧性和工艺性能 334 常用低合金高强度结构钢 4 常用低合金高强度结构钢 Q 345 16Mn 用量最多 产量最大的钢种 使用状态的组织为细晶粒的铁素体用量最多 产量最大的钢种 使用状态的组织为细晶粒的铁素体 珠光体 强度比普通碳素结构钢Q235高约20 30 耐大气腐蚀性 能高20 38 珠光体 强度比普通碳素结构钢Q235高约20 30 耐大气腐蚀性 能高20 38 Q420 15MnVN 强度较高 且韧性 焊接性及低温韧性也较好 被广泛用于制造桥梁 锅炉 船舶等大型结构 强度较高 且韧性 焊接性及低温韧性也较好 被广泛用于制造桥 梁 锅炉 船舶等大型结构 34 强度级别超过500MPa后 铁素体和珠光体组织难以满足要求 发展了强度级别超过500MPa后 铁素体和珠光体组织难以满足要求 发展了低碳贝氏体钢 加入Cr Mo Mn B等元素 有利于空冷条件下得到贝氏体组织 使 强度更高 塑性 焊接性能也较好 多用于高压锅炉 高压容器等 加入Cr Mo Mn B等元素 有利于空冷条件下得到贝氏体组织 使 强度更高 塑性 焊接性能也较好 多用于高压锅炉 高压容器等 5 热处理特点一般在热轧空冷状态下使用 不需要进行专门的热处 理 使用状态下的显微组织一般为一般在热轧空冷状态下使用 不需要 进行专门的热处理 使用状态下的显微组织一般为铁素体 索氏体铁素体 索氏体 351 2合金渗碳钢 老师提示重点内容1 用途主要用于制造汽车 拖拉机中的变速齿轮 内燃机上的凸轮轴 活塞销等机器零件 这类零件在工作中遭受强烈的主要用于制造汽车 拖拉机中的变速 齿轮 内燃机上的凸轮轴 活塞销等机器零件 这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损 同时又承受较大的 同时 又承受较大的交变载荷 特别是冲击载荷 变速齿轮拨叉36凸轮机构接触表面受到强烈的摩擦磨损 372 性能要求 1 表面硬度高 耐磨保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力 同时具有 适当的塑性和韧性 保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力 同时具有适当的塑性和韧性 2 心部具有高的韧性和足够高的强度在冲击载荷或过载作用下不易 断裂 3 有良好的热处理工艺性能在高的渗碳温度 900 950 下 奥氏体晶粒不易长大 并有良好的淬透性 在高的渗碳温度 900 950 下 奥氏体晶粒不易长大 并有 良好的淬透性 383 成分特点 1 低碳碳质量分数一般为0 10 0 25 使零件心部有足够的塑性 和韧性 碳质量分数一般为0 10 0 25 使零件心部有足够的塑性和韧性 2 加入提高淬透性的合金元素Cr Ni Mn B等 3 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素少量强碳化物形成元素Ti V W Mo等 形成稳定的合金碳化物 少量强碳化物形成元素Ti V W Mo等 形成稳定的合金碳化物 394 钢种及牌号 4 钢种及牌号 20Cr低淬透性合金渗碳钢淬透性 较低 心部强度较低 低淬透性合金渗碳钢淬透性较低 心部强度较低 20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢淬透性较高 过热敏感性较小 渗 碳过渡层比较均匀 具有良好的机械性能和工艺性能 中淬透性合金渗碳钢淬透性较高 过热敏感性较小 渗碳过渡层比 较均匀 具有良好的机械性能和工艺性能 18Cr2Ni4WA 20Cr2Ni4A高淬透性合金渗碳钢含有较多的Cr Ni等 元素 淬透性很高 且具有很好的韧性和低温冲击韧性 高淬透性合金渗碳钢含有较多的Cr Ni等元素 淬透性很高 且具 有很好的韧性和低温冲击韧性 405 热处理和组织性能渗碳后预冷淬火 再低温回火 表面组织合金渗碳体 回火马氏体 高碳 少量残余奥氏体 硬度 为60HRC 62HRC 合金渗碳体 回火马氏体 高碳 少量残余奥氏体 硬度为60HRC 62HRC 心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关 完全淬透时为回火马氏体 低碳 硬度为40HRC 48HRC 多数情 况下是回火马氏体 低碳 屈氏体 少量铁素体 硬度为25HRC 40 HRC 心部韧性一般都高于700kJ m与钢的淬透性及零件截面尺寸有关 完全淬透时为回火马氏体 低碳 硬度为40HRC 48HRC 多数情 况下是回火马氏体 低碳 屈氏体 少量铁素体 硬度为25HRC 40 HRC 心部韧性一般都高于700kJ m22 411 3合金调质钢 老师提示重点内容1 用途广泛用于制造汽车 拖拉机 机床和其它机器上的各种广泛用于制造汽车 拖拉机 机床和其它机器上的各种重要零件 如机床齿轮 主轴 汽车发动 机 如机床齿轮 主轴 汽车发动机曲轴 连杆 螺栓等 连杆曲轴422 性能要求调质件大多承受多种工作载荷 受力情况比 较复杂 要求高的调质件大多承受多种工作载荷 受力情况比较复 杂 要求高的综合机械性能 即具有高的强度和良好的塑性 韧性 合金调质钢还要求有好的淬透性 即具有高的强度和良好的塑性 韧性 合金调质钢还要求有好的淬透性 汽车万向节机床齿轮433 成分特点 1 中碳碳质量分数一般在0 25 0 50 之间 以0 4 居多 碳质量 分数一般在0 25 0 50 之间 以0 4 居多 2 Cr Mn Ni Si提高淬透性 形成合金铁素体 提高钢的强度 提高淬透性 形成合金铁素体 提高钢的强度 3 加入防止第二类回火脆性的元素Mo W含Ni Cr Mn的合金调质 钢 易产生第二类回火脆性 加入Mo W可以防止第二类回火脆性 适宜含量Mo的质量分数为0 15 0 30 或W的质量分数为0 8 1 2 含Ni Cr Mn的合金调质钢 易产生第二类回火脆性 加入Mo W可以防止第二类回火脆性 适宜含量Mo的质量分数为0 15 0 30 或W的质量分数为0 8 1 2 4445钢与40Cr钢调质后性能的对比钢号热处理状态棒材直径 mm b MPa s MPa 5 a ak k kJ m22 45钢850 水淬550 回火50 45钢850 水淬550 回 火50700500154570040Cr钢850 油淬570 回火50 心部 8506701658 10004570040Cr钢850 油淬570 回火50 心部 85067016581000454 钢种及牌号 4 钢种及牌号 40Cr低淬透性合金调质钢 油淬临 界直径为30mm 40mm 用于制造一般尺寸的重要零件 低淬透性合金调质钢 油淬临界直径为30mm 40mm 用于制造一般 尺寸的重要零件 o35CrMo中淬透性合金调质钢 油淬临界直径为40mm 60mm 加入 钼提高淬透性 还可防止第二类回火脆性 中淬透性合金调质钢 油淬临界直径为40mm 60mm 加入钼提高淬 透性 还可防止第二类回火脆性 40CrNiMo高淬透性合金调质钢 油淬临界直径为60mm 100mm 铬 镍钢中加入适当的钼 不但具有好的淬透性 还可消除第二类回火 脆性 高淬透性合金调质钢 油淬临界直径为60mm 100mm 铬镍钢中加入 适当的钼 不但具有好的淬透性 还可消除第二类回火脆性 465 热处理和组织性能热处理淬火加高温回火 合金调质钢淬透性较高 一般都用 合金调质钢淬透性较高 一般都用油淬 淬透性特别大时可以空冷 减少热处理缺陷 合金调质钢一般采用500 650 回火 为防止第二类回火脆性 回火后快冷 水冷或油冷 淬透性特别大时可以空冷 减少热处理缺陷 合金调质钢一般采用500 650 回火 为防止第二类回火脆性 回火后快冷 水冷或油冷 47热处理后组织性能 热处理后组织性能 合金调质钢常规热处理 后的组织是回火索氏体回火索氏体 用于螺栓 连杆等 表面要求耐磨的零件 如齿轮 主轴 再进行感应加热表面淬 火及低温回火 表面组织为表面要求耐磨的零件 如齿轮 主轴 再进行感应加热表面淬火及低温回火 表面组织为回火马氏体 表面硬度可达55HRC 58HRC 心部组织是表面硬度可达55HRC 58HRC 心部组织是回火索氏体 合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800MPa 冲击韧度在800kJ m 合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800MPa 冲击韧度在800kJ m2 2 心部硬度可达22HRC 25HRC 若截面尺寸大未淬透时 性能显著降低 心部硬度可达22HRC 25HRC 若截面尺寸大未淬透时 性能显著降低 481 4合金弹簧钢1 用途合金弹簧钢是一种专用结构钢 主要用于制 造各种 主要用于制造各种弹簧和弹性元件 离合器弹簧蝶形弹簧拉力弹簧离合器弹簧蝶形弹簧拉力弹簧492 性 能要求 1 高的弹性极限 e e 尤其是高的屈强比 s s b b 以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力 2 以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力 2 高的疲劳强度 r r 以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂 3 足够的 以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂 3 足够的塑性和韧性 以免受冲击时脆断 4 要求有 以免受冲击时脆断 4 要求有较好的淬透性 不易脱碳和过热 容易绕卷成形等 特殊弹簧钢还要求 不易脱碳和过热 容易绕卷成形等 特殊弹簧钢还要求耐热性 耐蚀性等 503 成分特点 1 中 高碳保证高的屈强比 碳的质量分数一般为0 50 0 70 碳含量过高时 塑性 韧性降低 疲劳抗力也下降 2 保证高的屈强比 碳的质量分数一般为0 50 0 70 碳含量过高时 塑性 韧性降低 疲劳抗力也下降 2 加入Si Mn提高淬透性 Si和Mn同时也提高屈强比 重要用途的弹簧钢还须加入提高淬透性 Si和Mn同时也提高屈强比 重要用途的弹簧钢还须加入Cr V W等元素 弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响 弹簧钢均为优质钢或高 级优质钢 等元素 弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响 弹簧钢均为优质钢或高 级优质钢 514 钢种和牌号 65Mn 60Si2Mn4 钢种和牌号 65Mn 60Si2Mn以S i Mn为主要合金元素 价格便宜 淬透性明显优于碳素弹簧钢 Si Mn的复合合金化 性能比只用Mn的好得多 用于汽车 拖拉机上的以Si Mn为主要合金元素 价格便宜 淬透 性明显优于碳素弹簧钢 Si Mn的复合合金化 性能比只用Mn的好 得多 用于汽车 拖拉机上的板簧和螺旋弹簧 A50CrVA含Cr V W等元素的弹簧钢 Cr V复合合金化 不仅提高钢的淬透性 还提高钢的高温强度 韧 性和热处理工艺性能 可制作在350 400 温度下承受重载的较大弹簧 含Cr V W等元素的弹簧钢 Cr V复合合金化 不仅提高钢的淬透性 还提高钢的高温强度 韧 性和热处理工艺性能 可制作在350 400 温度下承受重载的较大弹簧 525 加工 热处理与性能弹簧按加工和热处理可分为两类 1 热成形弹簧用热轧钢丝或钢板制成 然后淬火和中温 450 5 50 回火 获得用热轧钢丝或钢板制成 然后淬火和中温 450 550 回火 获得回火屈氏体组织 具有很高的屈服强度和弹性 极限 并有一定的塑性和韧性 一般用来制作为较大型的弹簧 组织 具有很高的屈服强度和弹性极限 并有一定的塑性和韧性 一般用来制作为较大型的弹簧 老师提示为了提高弹簧的疲劳寿命 广泛采用喷丸强化处理 为了提高弹簧的疲劳寿命 广泛采用喷丸强化处理 2 冷成形弹簧小尺寸弹簧一般用冷拔弹簧钢丝 片 卷成 531 5滚珠轴承钢 老师提示重点内容1 用途主要用来制造滚动轴 承的滚动体 滚珠 滚柱 滚针 内外套圈滚动体 滚珠 滚柱 滚针 内外套圈等 属专用结构钢 也用于制造精密量具 冷冲模 机床丝杠等耐磨件 也用于制造精密量具 冷冲模 机床丝杠等耐磨件 滚珠滚珠轴承542 性能要求 1 高的接触疲劳强度滚珠 滚柱与套圈运动时为点或线接触 压应 力高达1500MPa 5000MPa 交变应力易造成接触疲劳破坏 产生滚 珠 滚柱与套圈运动时为点或线接触 压应力高达1500MPa 5000MP a 交变应力易造成接触疲劳破坏 产生麻点或剥落 轴承钢疲劳强度应很高 2 轴承钢疲劳强度应很高 2 高的硬度和耐磨性硬度一般为62HRC 64HRC 3 硬度一般为62HRC 64HRC 3 足够的韧性和淬透性 4 要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和能力和良好的尺寸 稳定性 553 成分特点 1 高碳碳质量分数为0 95 1 10 保证高硬度 高耐磨性和高强 度 碳质量分数为0 95 1 10 保证高硬度 高耐磨性和高强度 3 硅 锰 钒Si Mn提高淬透性 便于制造大型轴承 V部分溶于奥氏体中 部分形成碳化物VC 提高钢的耐磨性并防止过 热 Si Mn提高淬透性 便于制造大型轴承 V部分溶于奥氏体中 部分形成碳化物VC 提高钢的耐磨性并防止过 热 4 高的冶金质量非金属夹杂对钢的接触疲劳强度影响很大 轴承钢采用电炉冶炼和真空去气处理 非金属夹杂对钢的接触疲劳强度影响很大 轴承钢采用电炉冶炼和真空去气处理 2 铬提高淬透性 形成合金渗碳体 Fe Cr 提高淬透性 形成合金 渗碳体 Fe Cr 33C细密 均匀分布 提高钢的耐磨性 疲劳强度 铬质量分数为0 40 1 65 C细密 均匀分布 提高钢的耐磨性 疲劳强度 铬质量分数为0 40 1 65 564 钢种和牌号 1 铬轴承钢GCr15w w C 1 w w Cr 1 5 最常用 使用量占轴承钢的绝大部分 Cr 1 5 最常用 使用量占轴承钢的绝大部分 2 添加Mn Si Mo V的轴承钢GCr15SiMn GCr15SiMnMoV在铬轴承 钢中加入Si Mn可提高淬透性 为了节铬 加入在铬轴承钢中加入Si Mn可提高淬透性 为了节铬 加入Mo V可得到无铬轴承钢 如GSiMnMoV GSiMnMoVRE等 其性能与GCr15相近 575 热处理及组织性能球化退火 淬火和低温回火 1 球化退火降低钢的硬度 利于切削加工 获得细小的球状珠光体 和均匀分布的过剩的细粒状碳化物 为零件的最终热处理做组织准 备 降低钢的硬度 利于切削加工 获得细小的球状珠光体和均匀分布 的过剩的细粒状碳化物 为零件的最终热处理做组织准备 2 淬火和低温回火淬火温度要求严格 温度过低 淬火后硬度不足 温度过高韧性 疲劳强度下降 易淬裂和变形 淬火温度要求严格 温度过低 淬火后硬度不足 温度过高韧性 疲劳强度下降 易淬裂和变形 GCr15钢淬火温度对机械性能的影响58工艺GCr15钢的淬火温度严格 控制在820 840 范围内 回火温度一般为150 160 GCr15钢的淬火温度严格控制在820 840 范围内 回火温度一般 为150 160 精密轴承必须保证长期存放和使用中不变形 为了稳定尺寸 淬火后立即进行精密轴承必须保证长期存放和使用 中不变形 为了稳定尺寸 淬火后立即进行 冷处理 60 50 降低内应力和残余奥氏体 在回火和磨削加工后 进行低温时效处理 降低内应力和残 余奥氏体 在回火和磨削加工后 进行低温时效处理 120 130 保温5h 10h 组织极细的回火马氏体 均匀分布的粒状碳化物以及少量残余奥氏 体 极细的回火马氏体 均匀分布的粒状碳化物以及少量残余奥氏体 GCr15钢淬火回火后的显微组织钢淬火回火后的显微组织59 练习请 选择制造下列零件的材料汽车齿轮 机床主轴 汽车板簧 滚珠 602 合金工具钢 编号一位数字或不标 化学元素符号 数字 一位 数字表示钢中平均碳含量的千分之几 不标注时表示 1 不标注 时表示 1 以免与合金结构钢相混 合金元素后面的数字质量分数 以免与合金结构钢相混 合金元素后面的数字质量分数少于1 5 时不标少于1 5 时不标 质 量分数为1 5 2 49 2 5 3 49 时 相应地标以 相应地标以 2 3 例15CrMnMo平均碳质量分数为0 5 合金元素Cr Mn Mo的质量分数均在1 5 以下 平均碳质量分数为0 5 合金元素Cr Mn Mo的质量分数均在1 5 以下 例29Mn2V平均碳质量分数为0 90 合金元素Mn质量分数约2 V的质量分数小于平均碳质量分数为0 90 合金元素Mn质量分数约2 V的质量分数小于1 5 例3CrMn平均碳质量分数大于等于1 实为1 3 1 5 61特别注意高速钢是一类高合金工具钢 钢号中一般不标出C含量 但C平均含量高速钢是一类高合金工具钢 钢号中一般不标出C含量 但C平均含量一般为0 7 0 8 而不是大于1 0 8 而不是大于1 例W18Cr4V平均碳质量分数约0 7 0 8 合金元素含量18 W 4 Cr 1 V 合金元素含量18 W 4 Cr 1 V 62 分类刃具钢模具钢量具钢实际应用界限并非绝对 63铣刀英制模板刀2 1合金刃具钢 老师提示重点内容1 用途主 要用于制造各种金属切削刀具 如车刀 铣刀 钻头等 包括主要用于制造各种金属切削刀具 如车刀 铣刀 钻头等 包括低合金刃具钢和高速钢 642 性能要求切削时刃部与切屑之间强烈摩擦发热 刃部温度可达 500 600 承受冲击和震动 切削时刃部与切屑之间强烈摩擦发热 刃部温度可达500 600 承受冲击和震动 1 高硬度一般在60HRC以上 2 高耐磨性与钢的硬度 钢中硬质点的性质 数量 大小和分布有 关 3 高热硬性 红硬性 钢在高温下保持高硬度的能力 4 足够的塑性和韧性防止刃具受冲击震动时折断和崩刃 653 成分特点 1 低合金刃具钢最高工作温度不超过300 加入Cr Mn Si W V等合金元素Cr Mn Si提高钢的淬透性 Si还能提高钢的回火稳定 性 W V提高硬度和耐磨性 并防止加热时过热 保持细小的晶粒 Cr Mn Si提高钢的淬透性 Si还能提高钢的回火稳定性 W V提 高硬度和耐磨性 并防止加热时过热 保持细小的晶粒 高碳碳质量分数为0 9 1 1 以保证高硬度和高耐磨性 碳质量分数为0 9 1 1 以保证高硬度和高耐磨性 66 2 高速钢高合金刃具钢 有很高的热硬性 高速切削时刃部温度达600 硬度无明显下降 高合金刃具钢 有很高的热硬性 高速切削时刃部温度达600 硬度无明显下降 加入Cr W Mo V等合金元素Cr提高淬透性 W Mo保证高的热硬性 退火状态W Mo以MCr提高淬透性 W Mo保证高的热硬性 退火状态W Mo以M66C型碳化物存在 淬火后溶于马氏体中 在560 回火时 形成WC型碳化物存在 淬火后溶于马氏体中 在560 回 火时 形成W22C或Mo22C弥散分布 造成二次硬化 使钢具有很高的热硬性 V提高耐磨性 细化晶粒 C弥散分布 造成二次硬化 使钢具有很高的热硬性 V提高耐磨性 细化晶粒 高碳w w C 在0 70 以上 最高达1 5 左右 与W Cr V形成足够的碳化物 部分碳溶于奥氏体 保证马氏体的高硬度 70 以上 最高达1 5 左右 与W Cr V形成足够的碳化物 部分 碳溶于奥氏体 保证马氏体的高硬度 674 钢种及牌号 1 低合金刃具钢典型钢种为9SiCr w w C 0 9 w w Si 1 4 w w Cr 1 加工过程球化退火 机加工 然后淬火和低温回火 热处理后的组织回火马氏体 碳化物 少量残余奥氏体 5 应用制造低速切削刃具 如丝锥 板牙 68 2 高速钢W18Cr4V w w C 0 75 w w W 18 w w Cr 4 w w V 1 2 W6Mo5Cr4V2w w C 0 85 w w W 6 w w Cr 4 w w V 2 W18Cr4V钢的热硬性较好 热处理时的脱碳和过热倾向较小 W6Mo5Cr4V2钢的较好 热处理时的脱碳和过热倾向较小 W6Mo5Cr4V2钢的耐磨性 热塑性和韧性较好 高速钢铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物 M较好 高速钢铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物 M66C 需要多次镦拔 得到小块均匀的碳化物 C 需要多次镦拔 得到小块均匀的碳化物 69高速钢热处理特点淬火温度高一般为1220 1280 回火温度高 多次550 570 回火三次淬火温度高一般为1220 1280 回 火温度高 多次550 570 回火三次W18Cr4V钢的热处理工艺过程 示意图70高速钢硬度与回火温度的关系71W18Cr4V热硬性好 在600 仍保持650HV 56HRC 的高硬度 W18Cr4V热硬性好 在600 仍保持650HV 56HRC 的高硬度 T 12 9SiCr W18Cr4V的硬度与温度的关系W18Cr4V的热硬性72高速钢 回火后的组织回火马氏体 粒状碳化物 少量残余奥氏体 高速钢淬火 回火后的组织应用制造高速切削刃具 车刀 铣刀 钻头 也用来制造冷作模具 制造高速切削刃具 车刀 铣刀 钻头 也用来制造冷作模具 732 2合金模具钢1 冷作模具钢 1 用途制造冷冲模冷冲模 冷镦模 冷挤压模冷挤压模和拉丝模等 工作温度不超过200 300 等 工作温度不超过200 300 74 2 性能要求冷模具工作时承受很大的压力 弯曲力 冲击载荷和摩 擦 主要失效形式是磨损 常出现崩刃 断裂和变形等失效现象 高硬度 一般为58HRC 62HRC 高耐磨性 足够的韧性和 疲劳抗力 热处理变形小 75 3 成分特点 高碳碳质量分数多在1 0 以上 个别钢种达到2 0 以保证高的硬度和高耐磨性 加入Cr Mo W V等合金元素形成难熔碳化物 提高耐磨性 典型钢种是Cr12型钢 铬的含量高达12 铬与碳形成M77C C33型碳化物 能极大提高钢的耐磨性 铬还显著提高钢的淬透性 型碳化物 能极大提高钢的耐磨性 铬还显著提高钢的淬透性 76 4 钢种和牌号 9Mn2V 9SiCr CrWMn要求不高的冷作模具用低合 金刃具钢制造 模具用低合金刃具钢制造 热处理与刃具钢相同 Cr12大型冷模具用钢 热处理变形很小 制造重载和形状复杂的 模具 大型冷模具用钢 热处理变形很小 制造重载和形状复杂的模具 冷挤压模工作时受力很大 条件苛刻 选用基体钢 成分与高速钢 基体相同 或马氏体时效钢制造 冷挤压模工作时受力很大 条件苛刻 选用基体钢 成分与高速钢 基体相同 或马氏体时效钢制造 77Cr12钢热处理 一次硬化法950 1000 淬火 150 180 回 火 硬度达61HRC 64HRC 钢有较好的耐磨性和韧性 用于重载模 具 950 1000 淬火 150 180 回火 硬度达61HRC 64HRC 钢 有较好的耐磨性和韧性 用于重载模具 二次硬化法1100 1150 淬火 510 520 三次回火 二次 硬化 硬度达60HRC 62HRC 红硬性和耐磨性都较高 但韧性较差 用在400 450 温度下工作的模具 1100 1150 淬火 510 520 三次回火 二次硬化 硬度达6 0HRC 62HRC 红硬性和耐磨性都较高 但韧性较差 用在400 450 温度下工作的模具 组织回火马氏体 碳化物 残余奥氏体782 热作模具钢 1 用途制造热锻模 热压模 热挤压模和压铸模等 工作时型腔表 面温度可达600 以上 制造热锻模 热压模 热挤压模和压铸模等 工作时型腔表面温度 可达600 以上 79 2 工作条件和性能要求承受很大的冲击载荷 强烈的摩擦 热应变 热应变和热应力 高温氧化 出现崩裂 磨损 龟裂龟裂等失效形 式 高的热硬性和高温耐磨性 高的抗氧化性能 高的热强性和 足够的韧性 尤其是受冲击较大的热锻模钢 高的热疲劳抗力 以防止龟裂破坏 有高的淬透性和导热性 80 3 成分特点 中碳碳质量分数一般为0 3 0 6 保证高强度 高韧性 较高的硬度 35HRC 52HRC 和较高的热疲劳抗力 Cr Ni Mn Si等Cr主要提高淬透性 和Ni一起提高回火稳定 性 Ni强化铁素体 增加钢的韧性 与Cr Mo一起提高钢的淬透性和耐 热疲劳性能 Cr主要提高淬透性 和Ni一起提高回火稳定性 Ni强化铁素体 增加钢的韧性 与Cr Mo一起提高钢的淬透性和耐 热疲劳性能 Mo W V等元素产生二次硬化 Mo还能防止第二类回火脆性 提高高温强度和回火稳定性Mo还能防 止第二类回火脆性 提高高温强度和回火稳定性 81 4 钢种和热处理 5CrMnMo w w C 0 5 w w Cr 0 7 w w Mn 1 4 w w Mo 0 25 5CrNiMo w w C 0 5 ww Cr 0 7 ww Ni 1 6 ww Mo 0 25 制造对韧性要 求高而热硬性要求不太高的热锻模 制造对韧性要求高而热硬性要求不太高的热锻模 热锻模钢热处理和调质钢相似 830 850 淬火后高温 490 650 左右 回火 和调质钢相似 830 850 淬火后高温 490 650 左右 回 火 组织回火屈氏体或回火索氏体 82 4Cr5MoSiV 5Cr4W5Mo2V制造热强性更好的大型锻压模或压铸 模 热压模钢热处理1000 1100 淬火600 左右回火 为保证热硬性 要进行多次回火 600 左右回火 为保证热硬性 要进行多次回火 组织与高速钢类似 回火马氏体 粒状碳化物和少量残余奥氏体832 3量具用钢1 用途 量具用钢用于制造各种量测工具 如卡尺 千分尺 螺旋测微仪 块规 塞规等 量具用钢用于制造各种量测工具 如卡尺 千分尺 螺旋测微仪 块规 塞规等 螺纹规游标卡尺千分尺842 性能要求量具在使用过程中要求测量精 度高 不能因磨损或尺寸不稳定影响测量精度 1 高硬度 大于56HRC 和高耐磨性 2 性高尺寸稳定性热处理变形要小 在存放和使用过程中 尺寸不 发生变化 3 成分特点量具用钢的成分与低合金刃具钢相同 高碳 0 9 1 5 加入提高淬透性的元素Cr W Mn等 854 量具用钢 r T10A T12A 9SiCr制造尺寸小 形状简单的量具 制造尺寸小 形状简单的量具 n CrWMn淬透性较高 淬火变形小 制造高精度且形状复杂的量规和块 规 淬透性较高 淬火变形小 制造高精度且形状复杂的量规和块规 5GCr15耐磨性 尺寸稳定性较好 制造高精度块规 螺旋塞头 千分尺 耐磨性 尺寸稳定性较好 制造高精度块规 螺旋塞头 千分尺 39Cr 18 4Cr